固態(tài)照明中白光LED的發(fā)展和應(yīng)用

Fig.2

半導(dǎo)體發(fā)光二極管通常均為單色(彩色)發(fā)光器件，這種發(fā)光器件光效高，顏色單純，早以廣泛用于各類場合的顯示，如各類指示燈，交通信號燈，大屏幕彩色顯示屏，甚至大屏幕彩色電視等。

Ⅲ 白光LED

彩色LED雖已成功用于各種顯示和指示器件，然而對于照明則是無能為力的，因?yàn)檎彰鞴庠幢仨氂泻芎玫娘@色性，所以照明用LED必須發(fā)白光。

一種方案是發(fā)明一種多能級載流子復(fù)合的復(fù)合型雜質(zhì)半導(dǎo)體材料，使之直接產(chǎn)生多色光，從而發(fā)出白光，然而此種方案迄今未見有成功的報(bào)導(dǎo)。

另一種方案是將發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種光色的發(fā)光二極管的芯片做在同一個(gè)管芯中，使之混光成白色，但是這樣制成的白光發(fā)光二極管的光色較差，而且所發(fā)光束的某些部分仍然呈現(xiàn)原來色彩，因此這種方案已被放棄了。
目前采用的方案是在藍(lán)光或近紫外LED芯片上涂敷全色或黃色熒光粉，從而得到白光LED，熒光粉的質(zhì)量、涂層厚度稍有影響均將嚴(yán)重影響其顯色指數(shù)、色溫、光效和光衰。

Fig.3 a、b、c、d顯示了發(fā)射峰為470nm的藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉后的發(fā)射光譜，涂敷熒光粉是吸收峰為450nm，發(fā)射峰為550nm的黃色 熒光粉，涂敷厚度不同時(shí)熒光粉層對藍(lán)光的吸收強(qiáng)度以及發(fā)射熒光的強(qiáng)度均不同，所呈現(xiàn)的光譜和光色也不相同，其情況示如下表：

Fig.3a

Fig.3b

Fig.3c

Fig.3d

　該試驗(yàn)中涂層厚度測量不準(zhǔn)確，所以未于標(biāo)出。輻射光通量測試方法亦不精確，所以只給出相對數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明熒光粉涂層厚度、處理工藝對白光LED的發(fā)射光譜、光通量、色溫和顯色指數(shù)的影響巨大，所以制作工藝必須十分嚴(yán)格，否則其一致性必定降低。

白光LED問世近10年來在工藝、材料等方面確實(shí)取得了很大進(jìn)展，其單粒功率、光效均已取得巨大突破，最突出代表之一是超薄型GaN LED。當(dāng)前白光LED取得的主要進(jìn)展為：

1、 改進(jìn)半導(dǎo)體材料純度和摻雜工藝，以提高載流子密度和內(nèi)量子效率。

2、 采用超薄結(jié)構(gòu)，其活性層僅為數(shù)納米，從而減少內(nèi)量子吸收，加大了量子輸出。

3、 在p-n結(jié)底部涂以高反射率膜層使內(nèi)向輻射的光量子反射以加大量子輸出。

4、 輸出窗內(nèi)表面粗糙化，從而減少向外輻射的光量子在輸出窗內(nèi)表面處反射折回到LED中的幾率。

5、 采用高熱導(dǎo)絕緣陶瓷作基底材料，和大輻射面散熱器以改善 p-n結(jié)散熱條件，降低結(jié)溫度。

6、 開發(fā)近紫外LED及高效、耐高溫三基色全色熒光粉以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、光轉(zhuǎn)換效率、顯色性并延長壽命。

7、 尋找耐高溫半導(dǎo)體材料、使LED大功率化。

在采取諸多有效措施后目前白光LED的實(shí)驗(yàn)室水平的光效已達(dá)130~150lm/w，單粒功率可達(dá)10W。

Ⅳ LED的發(fā)光效率、熱耗和改進(jìn)

白光LED的成就是杰出的，使之可能成為一種未來的高光效、長壽命、低成本照明器件，并在照明領(lǐng)域占據(jù)重要地位，甚至可能成為最普及的通用光源，但是在目前還有諸多關(guān)鍵問題需要解決，其最突出的一個(gè)基本問題就是散熱。

LED是利用載流子復(fù)合發(fā)光的。在電子與空穴復(fù)合時(shí)其勢能轉(zhuǎn)化為光量子，這些光量子直接向外輻射時(shí)可能成為輸 出光，而向內(nèi)或向四側(cè)輻射的部分則將被吸收轉(zhuǎn)化為熱能，即使向外輻射的光子也將有部分為輸出窗吸收或?yàn)槠鋬?nèi)表面反射后再吸收，最后成為內(nèi)部熱耗。所以 LED的光效不僅決定于其內(nèi)光子效率(即其輸入能量轉(zhuǎn)化為光子能量的效率)，而且與光子提取率即外光子效率直接相關(guān)。

白光LED 不僅存在如上所述的載流子復(fù)合的光量子效率和光量子提取率的問題，而且有輸出光子與熒光粉作用轉(zhuǎn)換為新光子的內(nèi)、外量子效率問題，如何選擇LED的發(fā)射波 長，尋找最佳匹配的高效熒光粉以取得最大光量子轉(zhuǎn)換效率和光量子輸出率，從而保證高的發(fā)光效率也是白光LED的關(guān)鍵問題，這一問題仍有大量工作需要完成而 這也正減緩LED發(fā)熱問題的關(guān)鍵。

如所周知傳統(tǒng)光源如白熾燈、放電燈均靠將發(fā)光體加熱到一定溫度后才能產(chǎn)生輻射，高溫是發(fā)光的前 提條件，例如白熾燈需將鎢絲加熱到2800℃或更高(鹵素?zé)?